冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱轴压性能研究

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轻钢轻质混凝土组合结构是由轻钢骨架外覆墙面板并内灌注轻质混凝土而形成的一种新型工业化住宅结构体系。与传统冷弯薄壁型钢体系相比,该结构体系具有构造合理、轻质高强、节能环保、保温隔热和隔声降噪等优点,已被逐步应用于低层和多层民用住宅建筑中。然而,前期研究表明冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土剪力墙,作为轻钢轻质混凝土墙体范畴中的一种,其破坏模式主要表现为墙体端立柱的局部屈曲破坏,且端立柱的承载能力是影响剪力墙抗震性能提升的主要因素之一。因此,开展墙体端立柱的轴压承载力研究,对避免其过早发生屈曲破坏而导致剪力墙承载力下降具有重要意义。所以,本文通过试验研究、有限元数值分析和理论研究相结合的方法对冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土组合柱构件进行系统性研究,主要工作和研究成果如下:(1)通过对3根空心冷弯薄壁型钢柱和9根冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱进行轴心受压试验,分析了破坏现象及其变化过程,研究了泡沫混高凝土干密度、截面高宽比和长细比等因素对冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土组合柱峰值承载力、刚度和延性的影响。结果表明:冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱的破坏形态以顶部截面腹板沿钢板水平向外局部屈曲变形为主,不同于空心冷弯薄壁型钢柱以立柱顶部处的型钢腹板和翼缘发生平面外(包括向外和向内)畸变屈曲变形破坏为主的破坏形态;相比空心冷弯薄壁型钢柱,冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱在峰值承载力、抗压刚度和位移延性上均有不同程度的提高;对于冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱而言,其立柱的峰值承载力、抗压刚度和位移延性会随着泡沫混凝土干密度等级和截面高宽比的增加而增强,但增加长细比对立柱轴压性能是不利的。(2)采用ABAQUS有限元软件对立柱进行了轴压性能分析,得到了冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱的破坏模式、受力过程、荷载—位移曲线、轴力—应变曲线和应力分布。结果表明:有限元模拟得到的破坏模式、荷载-位移曲线和峰值承载力均与试验结果吻合较好;冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱在峰值荷载作用下,冷弯型钢材料的抗压强度并未完全发挥;短柱在弹性阶段时的竖向力主要由冷弯薄壁型钢与泡沫混凝土共同承担;屈服阶段时泡沫混凝土承担的荷载开始增大;峰值阶段时冷弯薄壁型钢与泡沫混凝土在立柱顶部处发生局部破坏,且泡沫混凝土与冷弯薄壁型钢之间出现粘结滑移现象;破坏阶段时在屈曲位置处冷弯薄壁型钢与泡沫混凝土出现显著的分离。(3)基于冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱的有限元计算结果,对立柱的轴压性能的受力机理进行了分析。冷弯薄壁型钢和泡沫混凝土芯材在承担立柱所受轴压荷载的同时,并伴有两者的相互约束与增强作用。首先,冷弯薄壁型钢对泡沫混凝土有握裹效应,改变了泡沫混凝土的应力状态,使泡沫混凝土材料的抗压性能得到充分发挥,提高了泡沫混凝土的竖向承载力;其次,相比于空心冷弯薄壁型钢柱,泡沫混凝土对冷弯型钢具有约束作用,增强了冷弯型钢的侧向支撑,使其抗压性能得到较大发挥,提高了冷弯型钢的竖向承载力(4)基于冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土柱有限元模拟结果,得到了在试件破坏位置处的立柱横截面上的泡沫混凝土应力分布图,确定了该横截面上泡沫混凝土应力区域划分的分析模型,提出了泡沫混凝土承载力增强系数;基于冷弯薄壁型钢筒在立柱峰值荷载时应变值分布图,提出了冷弯薄壁型钢承载力的折减系数。最终,建立了冷弯薄壁型钢-泡沫混凝土立柱的正截面轴压承载力计算公式,其计算值与第二章的试件实验值和第三章的参数分析模拟值均吻合良好。
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